KR100207279B1 - 금속제품의 장식용 발색 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속표면에 건식도금의 일종인 이온 플레이팅이나 아아크 이온 플레이팅으로 투명한 금속산화물을 코팅하여 장식효과를 갖게 하는 발색제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 진공시스템의 기저압력과 산소의 유량을 조절하여 간섭색상의 농담을 변화시킴으로써 다양한 색상을 창출할 수 있는 금속제품의 장식용 발색 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 원기둥형의 멀티 타아켓 아아크 이온 플레이팅장비나 가로로 누운 원통형의 전자빔 증발원 이온 플레이팅장비를 사용하며, 원통의 원주둘레에 위치한 지그에 스테인레스등으로 된 금속제품을 장치한다. 전자빔 증발원에는 원료로 순도 99.5%이상의 금속을 사용하며 최상의 균일도로 얻기 위하여 챔버의 내벽에 일정한 간격으로 설치하고, 3극 필라멘트가 있어서 증발물질을 이온화시킨다.

설치가 끝나면 챔버를 닫고 진공펌프를 가동시키고 기저압력이 원하는 값에 다다르면 아르곤을 주입하고 타아켓에 3kW의 아아크를 발생시켜 하지층을 증착하거나, 전자빔 증발원을 작동하여 금속원료를 증발시켜 수분간 제품표면에 하지층 증착을 한다. 이후 아르곤과 셔터를 닫고 산소를 주입하여 산소아아크를 발생시키거나 일정한 압력을 유지한 상태에서 3극 필라멘트에 전압을 가하여 이온화전류를 형성시킨다. 지그에 바이어스를 인가한 상태에서 셔터를 열어 원하는 색상이 나타나는 두께까지 진공코팅을 행한다. 이때 지그가 여러개의 타아켓이 동시에 작동하므로 각 타아켓의 전력을 조절하여 각 제품간에 균일한 두께의 코팅이 입히도록 함과 아울러, 지그가 증발원의 주위를 상하방향으로 회전하게 되므로 셔터의 개방시간을 지그공전주기의 정수배로 하여 각 제품간에 균일한 두께의 코팅이 입혀지도록 한다.

이상과 같은 본 발명은 장식용 금속제품의 표면에 이온 플레이팅을 이용한 코팅을 행함으로써 코팅층의 다양한 색상효과를 창출할 수 있을 뿐아니라 이온플레이팅시 진공챔버의 기저압력을 조절하고 작업산소분압을 제어하여 광택을 갖는 금속제품의 표면에 입혀지는 금속산화물 코팅의 간섭색상의 농담을 변화시킴으로써 다양한 발색이 가능한 등의 효과가 있는 것이다.

Description

금속제품의 장식용 발색제조방법

본 발명은 금속표면에 건식도금의 일종인 이온 플레이팅으로 투명한 금속산화물을 코팅하여 장식효과를 갖게 하는 발색제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 진공시스템의 기저압력과 산소의 유량을 조절하여 간섭색상의 농담을 변화시킴으로써 다양한 색상을 창출할 수 있는 금속제품의 장식용 발색제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 빛은 겉보기에 투명한 물질로 입사를 할 경우에도 그 계면 전후의 굴절률 차이에 의해 일부는 반사를 하게 된다. 따라서 반사도가 높은 표면위에 수㎛ 내외의 얇고 투명한 막을 입히면 이 박막은 간섭에 의한 색상을 띄게 되며 이는 박막과 공기의 계면에서 반사된 빛이 박막과 기판의 계면에서 반사된 빛과 상호간섭 작용을 일으킴으로써 나타나고 이와 같이 금속표면위에 단층의 산화물박막을 입혔을 경우 각 계면에서 반사된 빛은 동일한 위상변화를 일으키며 반사된다.

이때 이 두빛은 박막의 두께에 의해 서로 다른 위상을 갖게 되며 이에 의해 간섭을 일으키는바, 실제 태양광에 의해서는 모든 파장 영역의 빛이 동시에 입사된다.

이때 박막의 두께가 특정한 파장의 1/4의 홀수배에 해당하면 그러한 빛은 두반사파간의 상쇄간섭으로 소멸된다. 따라서 이 소멸된 빛의 보색에 해당하는 빛이 지배적으로 나타나게 된다. 이러한 현상이 간섭에 의한 발색의 기본적인 원리이다.

이러한 간섭현상에 의해서는 이론적으로 빛을 구성하는 7가지색이 모두 가능하나 실제로는 각 빛의 파장영역이 협소한 이유로 대표적으로 노랑, 빨강, 파랑, 초록이 지배적으로 나타나며 두께의 미세한 차이에 의해 색상의 미묘한 변화가 일어나게 된다. 또한 빛의 소멸간섭은 파장의 1/4의 홀수배에 해당하는 두께에서 일어나므로 간섭색상은 두께의 증가에 따라 계속 반복적으로 일어나며 두께가 수㎛이상으로 두꺼워지면 각 파장영역의 중첩에 의해 간섭색상을 잃게 된다. 따라서 간섭색이 나타나는 박박의 두께는 수십에서 수천㎛의 범위에 있게 된다.

이와 같이 빛의 간섭현상을 이용한 코팅은 그 두께의 제어에 따라 색상을 다양하게 변화시킬 수 있고 코팅물질의 굴절률에 따라 간섭색상의 진하기가 변화한다는 것은 공지의 사실이다.

상기한 바에 착안하여 본 발명에서는 동일한 코팅물질에 있어서도 진공의 기저압력을 조절 또는 반응성 산소가스의 분압을 조절함으로써 그 색상의 농담을 제어하는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 알려진 많은 수의 금속물질은 산소와 결합하여 산화물을 형성할 경우에는 투명해진다. 그리고 이들 중의 상당수가 질소와 결합하여 질화물을 이룬 경우에는 불투명한 화합물을 형성한다. 이러한 질소는 공기중에 70%이상을 구성하는 원소로 진공의 기저압력을 충분히 낮추지 않을 경우에는 진공 챔버내에 상당량이 잔류하게 된다. 이 질소를 이용하는 것이 본 발명의 기본기술이라고 할 수 있으며, 이는 반응성기체로서 별도의 질소를 사용하지 않고도 질소의 효과를 이용하는 방법이라고 하겠다.

건식도금에 많이 사용되는 금속중, 산화물상태에서는 가시광선 영역에 투광성을 가지며 질화물상태에서는 투광성을 갖지 않는 것으로는 대표적으로 Ti, Zr, Cr, Ta, Hf, W등을 들 수 있다. 이러한 물질을 증발원으로 사용하여 산화물을 증착할 경우, 진공 또는 기저압력을 얼마로 가져가느냐하는 것은 박막의 투명도에 매우 중요한 역할을 하게 된다. 여기서 기저압력이라 함은 진공배기중에 있어서 작업을 시작하는 순간의 압력을 말하는 것으로 대기에 의한 불순물의 정도, 또는 진공의 청정도를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 이러한 박막이 광학적 코팅으로 용융될 경우에는 기저압력을 낮게 가져갈수록 투광성이 우수한 양질의 코팅을 얻을 수 있다. 그런데, 본 발명에서는 이러한 원리를 역으로 이용하여 상대적으로 높은 기저압력에서 작업을 행함으로써 투광도를 떨어뜨려 진한 색상을 얻도록 한 것이다. 예를들자면 Ti의 경우 TiNx가 되면 금과 매우 유사한 황색을 띄며, TiO₂-x가 되면 투명한 물질이 된다. 그런데, 진공건식 도금공정의 작업압력이 10^-3Torr일 경우, 기저압력이 10^-6Torr이면 약 1/1000 수준의 잔류질소가 존재하게 되지만 기저압력이 10^-5Torr이면 약 1/100의 잔류질소가 존재하게 된다.

같은 원리로 작업압력이 10^-4Torr일 경우에는, 기저압력이 10^-6Torr이면 약 1/100 수준의 잔류질소가 존재하게 되지만 기저압력이 10^-5Torr이면 약 1/10의 잔류질소가 존재하게 된다. 이와 같은 양은 질소를 외부에서 정해진 양만큼 공급해 주는 것과 유사한 효과를 나타내며, 산화물의 투광도를 상당한 수준까지 떨어뜨릴 수 있는 양이다. 대체적으로 기저압력이 작업압력이 1/1000정도이면 질소의 영향이 거의 나타나지 않는 우수한 투명 코팅을 얻을 수 있으며, 1/10수준이면 거의 투광도를 갖지 않는 갈색계통의 불투명 코팅이 얻어진다. 이러한 것은 산화물 조직내에 질화물이 분포되어 있는 구조를 나타내기 때문이다. 이 질소의 잔류량이 높아질수록, 즉 TiNx의 함유량이 많아질수록 투명산화물의 투광성이 점점 떨어지게 되며 어는 수준이상에서는 갈색으로 변해가게 된다. 따라서 이 두 값의 사이에서 비율을 조절함에 따라 같은 두깨의 같은 색상에서도 맑고 투명한 색조와 진하고 깊이 있는 색조를 조절할 수 있는 것이다. 이때 산소의 작업압력은 1.0×10^-4~ 9.9×10^-3Torr사이의 값을 가져야 하는데, 이는 10^-4Torr미만의 낮은 압력에서는 이온화아크의 형성이 어려우며 10^-2Torr이상의 높은 압력에서는 증발물질의 평균자유행로 감소에 의해 원활한 이송에 문제가 있거나 진공배기시스템에 무리가 갈 수 있기 때문이다.

이러한 간섭막의 코팅은 기존에 주로 습식에 의한 산화법이나 습식처리후의 고온에서의 열산화법, 또는 진공중에서의 가열을 이용한 진공증발법이 주류를 이루어왔다. 습식에 의한 산화막의 경우에는 황산등의 용액과 금속판과의 반응에 의한 산화를 이용한다. 또한 열산화법의 경우에는 크롬산등의 용액에서 금속을 전처리한 후 공기중에서 450~500℃정도의 온도로 가열하여 산화막을 얻게 된다.

이러한 방법은 대면적의 강판을 처리하는데에는 유리하나 공해성용액을 사용하게되고 간섭막의 중요요소인 두께를 정밀하게, 또는 자동으로 제어하지 못하는 문제점이 있다. 최근에는 진공을 이용한 건식도금이 도입되어 이러한 문제를 해결하여 가고 있다. 건식도금에는 매우 다양한 종류가 있으며, 증착하고자 하는 물질의 종류와 원하는 물성, 형상등에 따라 적합한 방법을 선택하는 것이 매우 중요하다.

본 발명에서 사용한 아아크 이온 플레이팅법과 이온 플레이팅법은 다량의 제품에 균일한 두께의 박막을 입히기에 적당한 방법이라고 할 수 있다.

상기의 본 발명을 달성할 수 있는 방법에는 여러 가지 형태의 아아크 이온 플레이팅 장비가 사용가능하나 본 발명에서는 원기등형의 멀티타아켓 아아크 이온 플레이팅장비나 전자빔 증발원 이온 플레이팅 장비를 사용한다. 이러한 아아크 이온 플레이팅장비는 옆으로 누운 원통형으로 하고 있으며 그 중심부에 셔터가 달린 전자빔 증발원이 설치된다. 피증착물을 장착하기 위한 지그는 원통의 원주 둘레에 위치해 있으며 자전과 공전을 하면서 증발원의 주위를 상하로 감싸고 들어간다. 전자빔 중 발원에는 3극 필라멘트가 있어서 증발물질을 이온화시키며 지그에는 이 이온화된 증발원을 인가할 수 있도록 전압을 가하게 된다.

피증착물은 지그에 부착되어 지그가 회전하면서 증발원의 상부를 통과할 때 코팅이 되며 회전속도와 회전수를 조절함으로써 코팅의 두께를 제어한다. 진공의 배기는 초기에는 기계식 펌프에 의해, 고진공에서는 확산펌프로 하며, 스테인레스 STS 304나 410, 420등으로 제작된 금속제품을 세제나 알코올, TCE등을 이용하여 세척하고 건조시킨다. 이 제품을 진공챔버안의 지그에 설치하되, 코팅을 하고자 하는 면이 원료물질 공급원을 효과적으로 마주 볼 수 있도록 자전축의 바깥쪽을 향하도록 장치한다. 증발원의 도가니에는 증발물질로 99.5%이상의 순도를 갖는 금속물질을 사용한다.

이하, 본 발명을 제조실시예에 따라 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[제조실시예 1]

먼저 금속제품의 설치가 끝나면 챔버를 닫고 진공펌프를 가동시켜 기저압력이 1×10^-6Torr까지 떨어지도록 한다. 정해진 압력에 다다르면 전자빔 증발원에 5kW의 전압을 가하여 금속원료를 증발시켜 수분한 제품표면에 하지층 증착을 한다.

하지층 증착이 끝나면 셔터를 닫고 산소를 주입하여 5×10^-4Torr의 압력을 유지한 상태에서 3극 필라멘트에 전압을 가하여 이온화 전류를 형성시킨다.

지그에 100V의 바이어스를 인가한 상태에서 셔터를 열어 원하는 색상이 나타나는 두께까지 진공코팅을 행한다. 이때 지그가 증발원의 주위를 상하방향으로 회전하게 되므로 셔터의 개방시간을 지그 공전주기의 정수배로 하여 각 제품간에 균일한 두께의 코팅이 입혀지도록 한다.

이와 같은 방법에의한 코팅은 매우 우수한 투광성을 갖는 코팅층으로 맑은 색상을 띄게 된다.

증착이 끝나면 챔버를 열고 제품을 지그로부터 분리해 내어 마스킹 용액에 침적, 건조시킨다. 마스킹제가 완전히 마르면 원하는 부분을 남기고 코팅층을 제거하고자하는 부분의 마스킹제를 칼로 도려낸다. 이를 질산, 초산, 불산혼합용액(45:45:10)에 수십초간 담가 탈막시킨다. 노출된 부분의 코팅층이 깨끗하게 탈막되면 물로 세척을 하고 남은 마스킹제를 벗겨내어 완성한다.

[제조실시예 2]

금속제품의 설치가 끝나면 챔버를 닫고 진공펌프를 가동시켜 기저압력이 3×10^-6Torr까지 떨어지도록 한다. 정해진 압력에 다다르면 전자빔 증발원에 5kW의 전압을 가하여 금속원료를 증발시켜 수분간 제품 표면에 하지층 증착을 한다.

하지층 증착이 끝나면 셔터를 닫고 산소를 주입하여 3×10^-4Torr의 압력을 유지한 상태에서 3극 필라멘트에 전압을 가하여 이온화전류를 형성시킨다.

지그에 100V의 바이어스를 인가한 상태에서 셔터를 열어 원하는 색상이 나타나는 두께까지 진공코팅을 행한다. 이때 지그가 증발원의 주위를 상하방향으로 회전하게 되므로 셔터의 개방시간을 지그공전주기의 정수배로 하여 각 제품간에 균일한 두께의 코팅이 입혀지도록 한다.

이와같은 방법에 의한 코팅은 소량의 질소의 영향을 받게 되므로 다소 진한 색상을 띄게 된다.

증착이 끝나면 챔버를 열고 제품을 지그로부터 분리해 내어 마스킹 용액에 침적, 건조시킨다. 마스킹제가 완전히 마르면 원하는 부분을 남기고 코팅층을 제거하고자하는 부분의 마스킹제를 칼로 도려낸다. 이를 질산, 초산, 불산 혼합용액(45:45:10)에 수십초간 담가 탈막시킨다. 노출된 부분의 코팅층이 깨끗하게 탈막되면 물로 세척을 하고 남은 마스킹제를 벗겨 내어 완성한다.

[제조실시예 3]

금속제품의 설치가 끝나면 챔버를 닫고 진공펌프를 가동시켜 기저압력이 1×10^-5Torr까지 떨어지도록 한다. 정해진 압력에 다다르면 전자빔 증발원에 5kW의 전압을 가하여 금속원료를 증발시켜 수분간 제품표면에 하지층 증착을 한다.

하지층 증착이 끝나면 셔터를 닫고 산소를 주입하여 2×10^-4Torr의 압력을 유지한 상태에서 3극 필라멘트에 전압을 가하여 이온화전류를 형성시킨다.

지그에 100V의 바이어스를 인가한 상태에서 셔터를 열어 원하는 색상이 나타나는 두께까지 진공코팅을 행한다. 이때 지그가 증발원의 주위를 상하방향으로 회전하게 되므로 셔터의 개방시간을 지그 공전주기의 정수배로 하여 각 제품간에 균일한 두께의 코팅이 입혀지도록 한다.

이러한 방법에 의해서는 매우 불투명한 갈색의 코팅이 얻어지게 된다.

이러한 갈색층은 두께가 비교적 얇을 경우에는 밝은 갈색을 띄고 두꺼워질수록 진한 갈색을 띄므로 두께에 따라 갈색의 농담을 조절할 수 있다.

증착이 끝나면 챔버를 열고 제품을 지르고부터 분리해 내어 마스킹용액에 첨적, 건조시킨다. 마스킹제가 완전히 마르면 원하는 부분을 남기고 코팅층을 제거하고자 하는 부분의 마스킹제를 칼로 도려낸다. 이를 질산, 초산, 불산 혼합용액(45:45:10)에 수십초간 담가 탈막시킨다. 노출된 부분의 코팅층이 깨끗하게 탈막되면 물로 세척을 하고 남은 마스킹제를 벗겨내어 완성한다.

이상과 같은 본 발명은 장식용 금속제품의 표면에 이온 플레이팅을 이용한 코팅을 행함으로써 코팅층의 다양한 색상효과를 창출할 수 있을뿐아니라 이온 플레이팅시 진공챔버의 기저압력을 조절하고 작업산소 분압을 제어하여 광택을 갖는 금속제품의 표면에 입혀지는 금속산화물 코팅의 간섭색상의 농담을 변화시킴으로써 다양한 발색이 가능한 등의 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. 이온 플레이팅법에 의해 금속표면에 산화물 코팅층을 입힘에 있어서, 기저압력을 1.0×10^-7~ 9.9×10^-4Torr, 작업시 산소분압을 1.0×10^-4~ 9.9×10^-3Torr로 하며, 간섭에 의한 색상의 농담을 제어하는 것을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.
2. 제1항에 있어서, 그 코팅층의 원료물질로 사용한 금속이 산화물 상태에서는 가시광선영역에 90% 이상의 투광성을 갖고 질화물 상태에서는 10%이하의 투광성을 갖는 금속물질임을 특징으로 하는 금속제품의 장식용 발색제조방법.
3. 제2항에 있어서, 그 코팅층이 두께 50 ~ 1000nm의 금속산화물 박막으로서 빛의 간섭효과를 이용하여 장식효과를 내는 것을 특징으로하는 금속재품의 장식용발색제조방법.